la unificación de la fisica
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POR: DAVID ARISTA RAMIREZ
Introducción
El motivo por el cual he elegido este trabajo de investigación es porque
engloba conceptos científicos que me son interesantes y es un tema muy importante en la física moderna.
Debo añadir además mi inclinación hacia las ciencias en general.
Ahora que finalizo la preparatoria, se abre ante mí un campo de estudios superiores todavía desconocidos, y que me interesa conocer. Este trabajo ha abierto una puerta en este ámbito, y me ha permitido conocer un poco más sobre la física.
El objetivo de esta trabajo es que nos demos cuenta de los avances que ha habido en la física, y que apreciemos el trabajo de algunos científicos.
La metodología utilizada fue de tipo documental empleando información de
diversos libros y artículos publicados por científicos de distintas partes del mundo.
CAPITULO I
Mecánica cuántica y relatividad general
Hawking (1987) sostiene que la física moderna se basa en las leyes de la
mecánica cuántica y la relatividad general, y estas son el gran logro intelectual de
este siglo.
Actualmente la física moderna enfrenta un gran desafío al estar regida por dos
grandes leyes, pero que si se tratan de unir se contradicen, es decir que no
pueden ser correctas a la vez, es por esto que durante los últimos años físicos de
todo el mundo han buscado incansablemente la manera de unir las dos leyes que
rigen el universo, es por esto que en esta investigación trato de dar a entender la
importancia de las principales teorías físicas, porque estas son el futuro de la
ciencia, hoy quizás no comprendamos los alcances de esta unificación, pero de
lograrlo en el futuro seria la base de toda la tecnología y la ciencia.
Hawking (1987) asegura que: “La teoría de la relatividad general describe la fuerza de la gravedad y la estructura a gran escala del universo, es decir, la estructura a escalas que van desde sólo unos pocos kilómetros hasta un billón de billones de kilómetros, el tamaño del universo observable. La mecánica cuántica, por el contrario, se ocupa de los fenómenos a escalas extremadamente pequeñas, tales como una billonésima de centímetro.” P.18
Desde el descubrimiento de la teoría de la relatividad por Albert Einstein, esta
teoría ha generado mucha polémica ya que contradecía a la gravedad universal de
Newton, pero con la experimentación se dieron cuenta de que Einstein estaba en
lo correcto, esta teoría describe en su forma más detallada la fuerza gravitacional.
Por otra parte la mecánica cuántica estudia lo más íntimo de la materia, aun mas
allá de los átomos, estudia el comportamiento de las partículas sub-atómicas tales
como electrones, muones o quarks.
Ambas teorías han sido perfectamente entendidas y comprendidas en su área
y de ambas ha habido aplicaciones importantísimas para la ciencia actual, por
ejemplo gracias a la teoría general de la relatividad contamos con aparatos de
medición satelital tan precisos, como lo son hoy en día los llamados GPS (Global
Positioning System) que pueden ubicarnos con un margen de error de 5 metros.
Por su parte la Mecánica Cuántica ha permitido que existan sofisticados
procesadores de modernas computadoras.
Harari y Mazzitelli (2005) afirmaron: “la masa y la energía curvan el espacio-
tiempo, es decir modifican sus propiedades geométricas. El espacio-tiempo no
sólo no es absoluto, sino que tampoco es inmutable.” P. 52
La teoría de la relatividad postulo la existencia de un tejido cuatri-dimensional
llamado Espacio-Tiempo el cual se deforma con la existencia de masa en él, lo
interesante es que el comportamiento de este tejido es bastante predecible y
ordenado, ya que todo a estas grandes escalas se mueve uniformemente tal como
los planetas, estrellas y galaxias. Y como veremos en el siguiente capítulo este
tejido juega papel esencial a la hora de tratar de unir las dos teorías y es ahí
donde todo se sale de control.
Hawking (2001) asegura que:
“Aunque la mecánica cuántica ha estado entre nosotros durante cerca de 70
años, todavía no es generalmente entendida o apreciada, incluso por aquellos que
la usan para hacer cálculos.”
Por otra parte la mecánica fue creada por Max Planck en 1930, quien por
posteriores investigaciones gano el premio nobel en 1928, lo interesante de esta
teoría es que contradice totalmente las leyes de la física clásica, la cual dice que
nada es aleatorio y el universo se rige por leyes que pueden ser comprobadas por
medio de la experimentación. Pero la mecánica cuántica al estudiar la materia más
íntimamente demuestra que el mundo sub-atómico es más extraño del que
podríamos imaginar, dice que cada partícula se mueve sin seguir una trayectoria
estable, e incluso asegura que una partícula puede estar en dos lugares al mismo
tiempo.
Por lo tanto esta teoría se basa únicamente en calcular las probabilidades que
tiene un evento de ocurrir y predice que todo lo que ocurre en el universo se rige
atreves de movimientos aleatorios, esta teoría deja una amplia gama de
posibilidades en donde todo puede ocurrir, y en la cual es imposible definir la
trayectoria precisa de una partícula.
En el mundo que nosotros vemos esto no es visible, ya que la escala de la que
hablamos es demasiado pequeña, pero la mecánica cuántica no elimina la
posibilidad de que cualquier cosa que ocurre en el mundo sub-atómico, pueda
ocurrir en el nuestro.
Hawking (2001) dijo que Einstein quedó escandalizado por este elemento aleatorio e impredecible en las leyes básicas, y nunca llegó a aceptar por completo
la mecánica cuántica. Sus sentimientos se resumen en su famosa frase: «Dios no juega a los dados».
Como veremos en el siguiente capítulo, si ambas teorías se pudieran unir para
formar una sola que domine tanto lo grande como lo pequeño, tendríamos una
sola teoría, pero es la aleatoriedad en las experimentaciones cuánticas la cual
obliga, o a buscar una nueva teoría gravitacional compatible con la mecánica
cuántica o a modificar ambas teorías matemática y físicamente, para poder
unirlas.
CAPITULO II
La unificación de la física moderna
Con el avance de las teorías físicas que involucran tanto lo grande como lo
pequeño, físicos de todo el mundo tratan de buscar una forma de unificarlas.
Laplace (1814) afirmo que:
“Un intelecto que en un cierto momento podría conocer todas las fuerzas que
establece la naturaleza en movimiento, y todas las posiciones de todos los temas
que esa naturaleza compone, si ese intelecto fuera también tan suficiente para
presentar esos datos en un análisis, que pueda unir en una simple fórmula los
movimientos de los grandes cuerpos del universo y lo muy pequeño del átomo;
para ese tipo de intelecto nada sera incierto y el futuro como el pasado sería el
presente para esos ojos.” Introducción
Para Simón Laplace un físico francés, una teoría que involucrara todas las
fuerzas que rigen la naturaleza seria el límite de la ciencia ya que se podría saber
cualquier cosa y hoy en día quizás no estemos tan lejos de ella.
Ahora con los avances de la Mecánica Cuántica podemos predecir ciertamente
el comportamiento de partículas sub-atómicas, y tener una visión más clara de lo
que sucede en el mundo sub atómico, todos estos avances se los debemos a
investigaciones que se han hecho en diversos laboratorios como el Fermilab, y
más recientemente con el LHC (Large Hadroner Collisioner) del CERN, el cual es
el acelerador de hadrones más potente jamás construido con un anillo de 27 km. a
100 mts. bajo tierra. Este acelerador acelera los hadrones a casi la velocidad de la
luz y los hace colisionar entre si provocando que en la colisión haiga una lluvia de
partículas sub-atómicas las cuales se pueden estudiar detalladamente.
El CERN espera que este nuevo acelerador pueda hallar partículas que están
propuestas por la física de partículas, como lo serían el gravitón el cual se supone
es la partícula mensajera de la fuerza de gravedad, las partículas mensajeras de
las otras 3 fuerzas ya han sido descubiertas y solo resta el graviton. Otra partícula
seria el Bosón de Higgs o Partícula de Dios el cual nos aclararía completamente
que es la masa ya que esta partícula es la que da las propiedades a la masa.
Harari y Mazzitelli (2005) dijeron que: “Entender la gravedad es uno de los
grandes retos (si no el mayor) de la física teórica para el presente siglo.” pág. 89.
De ser descubierto el gravitón se podría postular una teoría cuántica de la
gravedad que quizás sería más fácil de unir con la Mecánica Cuántica.
Pero si tuviéramos una nueva teoría de la gravedad habría que investigar si esta es unificable o no con la mecánica cuántica, para esto tenemos dos opciones, la primera es la experimentación en laboratorios de altas energías y la otra es las observaciones astrofísicas, la primera es imposible ya que no contamos ni contaremos en un futuro próximo con aceleradores de partículas que cuenten con la energía necesaria, así que durante mucho tiempo todo avance en la fuerza de gravedad debe de venir de las observaciones astrofísicas. Por su parte los avances en relatividad también han sido significativos
especialmente en el campo de la cosmología y astrofísica.
Es por esto que esta teoría ha sido ampliamente aceptada en el mundo científico,
ya que no es la única teoría que describe la fuerza de gravedad, pero si es la que
más datos relevantes comprobables ha encontrado, más no es aun 100%
comprendida.
Greene (2001) asegura que hoy en día ambos bandos de científicos (los que
trabajan con relatividad y los que usan la mecánica cuántica) están conformes con
los resultados obtenidos en su área y es por eso que es más difícil unir las teorías.
Ambas teorías son muy satisfactorias en su área es por eso que al tratar de unir
las teorías se complican las cosas ya que es difícil modificarlas porque estas son
ampliamente aceptadas y cada vez que se realizan cálculos simplemente las
cosas se salen de control o salen conclusiones absurdas.
Cuando se trata de describir el movimiento de una partícula sub-atómica en el
espacio tiempo este es lo contrario a lo que es en el mundo macroscópico; es
decir este deja de ser tranquilo y predecible para convertirse en un lugar donde
cualquier cosa puede pasar con fluctuaciones fuera de control que simplemente es
imposible predecirlas por sí mismas, y se recurre a el uso de la probabilidad para
saber qué cosa es más probable que suceda. Esta es una de las causas por las
que no se puede unificar las teorías con las leyes ahora existentes, otra de las
causas es que la fuerza gravitacional es mucho más débil, la fuerza
electromagnética es 10↑40 más fuerte que la gravedad.
Aunque parezca muy difícil lograr la teoría del todo, revolucionarios científicos
siguen trabajando en la búsqueda de la misma con nuevas teorías que hacen
posible la unificación, y están convencidos de que unificar dos teorías parciales es
posible porque esto ya ocurrió.
Harari y Mazzitelli (2005) dijeron que:
“El escenario sí cambió hacia fines del siglo XIX, cuando James Clerk Maxwell
terminó de formular la teoría clásica del electromagnetismo. Maxwell concluyó la
tarea comenzada muchos años antes por diversos investigadores: Coulomb,
Oersted, Ampère, Faraday, etc…” pág. 20
“Lo que sí está claro es que la simplicidad de las ecuaciones de Maxwell
influyó notablemente en su razonamiento. Prefirió explorar esta hipótesis basada
en su intuición, y en la belleza y simplicidad que las leyes del electromagnetismo
tendrían en todos los sistemas inerciales.” pág. 21
A principios de 1800 se creía que la Electricidad era muy independiente del
Magnetismo, pero los trabajos y observaciones de James Maxwell comprobaron
que las dos fuerzas son una sola y las pudo resumir en cuatro ecuaciones básicas
del electromagnetismo que son conocidas como Ecuaciones de Maxwell, y que
describen cualquier aspecto de la electricidad, magnetismo y hasta de la óptica.
Estas ecuaciones nos siguen rigiendo después de casi siglo y medio.
Esto es algo que impulsa a físicos de todo el mundo en la búsqueda de la
unificación, y ahora cuentan con varias teorías que podrían ser el santo grial de la
física moderna, pero que veremos en el siguiente capítulo.
CAPITULO III
Soluciones a la unificación de la física. Desde el descubrimiento de la fuerza de gravedad por Newton en 1685 los científicos se fueron dando cuenta de que esta no era la única fuerza del universo sino que con ella había otras, la fuerza que daba energía a los rayos, la fuerza que unía un imán con un metal, etc. Con el paso del tiempo y con muchas investigaciones de numerosos científicos, se llegó a la conclusión de que en el mundo actual hay 4 fuerzas fundamentales:
La Gravedad: Responsable del movimiento de los planetas.
La fuerza electromagnética: Es la que unifica las fuerzas del magnetismo y electricidad.
La fuerza nuclear débil: Hace que los electrones giren alrededor del núcleo.
La fuerza nuclear fuerte: Responsable de la unión del núcleo atómico.
Hawking (2001) dijo que “Recientemente, se han realizado con éxito
diversos intentos de unificación de tres de las cuatro categorías de fuerza.” Pág. 6
A lo largo de la historia estas fuerzas se han ido unificando una por una, el primero en unificarlas fue Maxwell quien unió la electricidad y el magnetismo como lo vimos ya, luego Sheldon Glashow unió el electromagnetismo con la fuerza débil, y por esto gano el premio nobel en 1979, tercera unificación fue propuesta por Glashow y Howard Georgi y se le llamo teoría de la gran unificación, está aún no ha sido comprobada experimentalmente, lo que resta solo es unir la fuerza de gravedad con la teoría de la gran unificación, como ya he dicho la teoría de la gravedad bien puede ser la relatividad o alguna otra teoría de la gravedad que pueda ser comprobada experimentalmente, esta unificación daría como resultado la tan ansiada Teoría del todo.
Hawking (2001) dice que Einstein paso los últimos años de su vida buscando la manera de unificar la física por medio de la teoría de relatividad (gravedad) y el electromagnetismo, pero en sus tiempos no se conocía nada sobre fuerzas nucleares, y la vida no le dio para conocerlas. En el pasado científicos intentaron encontrar esta teoría del todo, uno de ellos fue Albert Einstein quien murió buscando una manera de incluir en su teoría de la relatividad la teoría electromagnética de Maxwell, y en aquellos tiempos las
fuerzas electromagnéticas eran desconocidas, y no pudo incluirlas en su búsqueda de la teoría definitiva. Hoy en día hay teorías que si bien no todas unen las teorías de la relatividad con la mecánica cuántica, son candidatas a ser la teoría del todo. Greene (2001) asegura que la solución para unificar la mecánica cuántica
con una teoría gravitacional en este caso la relatividad general, son las llamadas
teorías de supercuerdas, teorías que logran unir las dos teorías, pero que a su vez
tienen matemáticas muy complicadas y complejos postulados.
La teoría principal, es la teoría de cuerdas o supercuerdas, esta teoría trata
de incorporar la relatividad general a las otras fuerzas ya unificadas, la idea
principal de la teoría de cuerdas es muy sencilla, dice que toda la materia a su
escala más diminuta está formada por minúsculos hilos de energía los que se
denominan cuerdas, estos vibran en infinidad de formas y van a su vez formando
las partículas fundamentales, y estos forman los átomos. Sin embargo para hacer
que esta teoría unieran la gravedad con la mecánica cuántica se ocupó de leyes
muy complejas y hasta de postulados que contradicen la lógica, como es el hecho
de que decir que existen once dimensiones. Estas son las tres dimensiones
temporales, una dimensión temporal, más una de seis dimensiones llamada
Calabi-Yau manifold. Esta es una que existe en todo punto de las otras 4, que está
enrollada en sí misma, y que termina en el mismo lugar, y la otra es invisible y esta
enrollada en un número infinito de pequeños lazos.
En 1990 fueron descubiertas 5 teorías de cuerdas, esto perturbo a los
físicos, pero Eduard Witten dio solución al problema creando la teoría M, la cual
unifico las cinco teorías de supercuerdas, y aunque esta teoría no está completa
se puede usar en muchas situaciones y es candidata a ser la teoría del todo.
Greene (2001) afirma que para comprobar que la teoría de supercuerdas es
correcta, se necesita infraestructura con la cual aún no contamos, como un
acelerador de hadrones 7 veces más potente del que tenemos hoy en día.
Por otra parte esta teoría es muy difícil de validar, ya que para saber si
estas cuerdas realmente existen se necesita un acelerador de partículas mucho
más potente que el LHC, para esto debemos de esperar quizás cientos de años
antes de dar por cierta la teoría de supercuerdas.
El competidor principal de la teoría de cuerdas es la gravedad cuántica de
bucles, la cual no ocupa de más dimensiones y puede ser verificada en un futuro
cercano, pero a su vez tiene muchas cosas en contra.
Otra teoría que pudiera unificar la física es una propuesta por Antony
Garrett Lisi, quien afirma que puede unificar los campos del modelo estándar con
la gravedad, por medio de una red de 248 puntos llamada E8.
A pesar de todo el esfuerzo que se ha hecho por muchos años para hallar
esta teoría, aún hay mucho por hacer, pues existen puntos en contra para estas
teorías como lo son el reduccionismo, la falta de tecnología, etc.
Un argumento en contra de la teoría del todo es el teorema de Gödel que
dice que las matemáticas son inexhaustas que no importa cuántos problemas se
puedan resolver siempre habrá otros que no se podrán resolver con las reglas
existentes. Y como las leyes físicas se basan en leyes matemáticas el teorema de
Gödel se aplica a ellas.
Hawking (2002) dijo que “Muchas personas estarán muy disgustadas si no hay una teoría ultima, que pueda formular un finito número de principios. Yo solía pertenecer a ese campamento, pero yo he cambiado mi pensamiento.”
En esta investigación he comprobado que la física está cada vez más cerca
de esa teoría final, sin embargo aún hay que comprobar las teorías, probablemente la solución a la unificación no venga de parte de la relatividad, pero si no, siempre habrá otra opción, esto lo bonito de la ciencia.
Quizás después de todo no logremos la teoría del todo, pero es la curiosidad y el deseo de superación lo que ha movido la ciencia desde tiempos muy antiguos al ser humano y ha hecho que la ciencia este donde ahora esta.
BIBLIOGRAFIA
Greene, Brian (2001), El Universo Elegante. Critica. Madrid.
Greene, Brian. (2006). El tejido del Cosmos. Critica. Madrid.
Hawking, Stephen (1988). Historia del Tiempo: Del big bang a los agujeros negros.
Grijalbo. Barcelona
Hawking, Stephen (2002). El Universo En Una Cascara de Nuez. Crítica. Barcelona.
Hawking, Stephen (Julio 20, 2002). Gödel and the end of physics.
Harari, Diego (2005). Cien Años De Relatividad: Los artículos clave de Albert Einstein.
Nivola. Madrid
Laplace, Pierre-Simón (1814). Ensayo filosófico sobre las posibilidades. Alianza. Madrid.